基于超声波技术的导盲杖设计

　　一、引言

　　盲人作为特殊的群体，其借助的辅助工具主要有手杖和导盲犬。其中，使用手杖最为普遍。为了更好地帮助盲人行走，国内外很多机构都研究和生产了相关电子导盲装置，由于利用了GPS全球定位系统及建立无线电基站等方法，导致用这些方法实现的导盲器价格昂贵，不适合于普通消费者。导盲犬价格则更高，并且在某些社交场合(例如禁止宠物进入)不适合使用，这些因素也造成导盲犬无法普及。为此，利用技术成熟的超声波测距原理开发一种导盲装置，搭配传统的普通手杖一起使用，组合成价格低廉的电子导盲杖。

　　二、超声波测距与避障原理

　　安装在手杖上方的超声波传感器，能发出或接收超声波。系统的单片机首先测出超声波从发射到遇到被测物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到2倍的手杖与被测物之间的距离，即s=ct/2。其中s为手杖与被测物之间的距离，c为超声波在介质中的传输速度。超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关，也与环境的件有关。在气体中，传播速度与气体种类、压力及温度有关，在空气中超声波传播速度的经验公式为：c=331.5+0.607t。其中t为环境温度，可被温度传感器采集并送给单片机进行超声波速度计算。在精度要求不是很高的情况下，一般认为c为常数340m/s。距离测出后，可根据手杖的长度和盲人的需要进行避障提示。

　　三、超声波测距误差分析

　　根据超声波测距公式s=ct/2，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。当要求测距误差小于2mm时，假设已知超声波速度c=340m/s，忽略声速的传播误差。则测距误差△s=(c△t)/2=(340×△t)/2，即时间误差△t=0.004/340≈0.0000117647s=11.7647μs。所以，在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于2mm的误差。使用12MHz晶振的AT89S51单片机定时器能方便地计数到1μs的精度，因此系统能保证时间误差在2mm的测量范围内。如果系统测距精度要求达到2mm时，还必须把超声波传播的环境温度考虑进去。例如当温度10℃时超声波速度是337.6m/s，40℃时是355.8m/s。若超声波在10℃的环境下以40℃的声速测量0.1m距离所引起的测量误差接近5mm。所以在较高精度的超声波测距中，温度补偿是必须的。

　　由于超声波发射点与接收点不是同一点(如相距40mm)，而距离应是垂直被测物的，所以当被测距离小于20mm时，根本不能测出，必定出现测量盲区。从勾股定理的关系可知，当被测距离小于90mm时，将会出现误差大于2mm的情况。由于盲区不是很宽，通过实验，可以在软件中所测数据进行分段修正。如当所测数据为20mm时，加上7mm得到实际距离;当所测数据为30mm时，加上6mm得到实际距离……当所测数据为80mm时，加上1mm得到实际距离。通过以上方法，保证了系统测距精度稳定在2mm以内。